專利名稱：一種多晶硅提純裝置及提純方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池制造技術(shù)，尤其涉及一種采用高能束流冶煉提純多晶硅的多晶硅提純裝置和提純方法。
背景技術(shù)：
地球上化石能源數(shù)量有限，以現(xiàn)有的能源消費(fèi)速度在二三百年內(nèi)將用完。太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的清潔能源，然而制造太陽(yáng)能電池板需要應(yīng)用高純度的硅，目前太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)的最大瓶頸正是在于高純硅的生產(chǎn)成本太高。硅的提純方法有一種是化學(xué)法，代表方法是西門子法和改良西門子法，其提純純度達(dá)到99. 9999999-99. 9999999999 %，但提純過(guò)程復(fù)雜，能耗高，產(chǎn)生大量的污染物，投資成本高。另一種方法是物理法，代表方法是電子束熔煉、離子束熔煉或者兩者工藝結(jié)合的方法，這種提純方法提純極限只能達(dá)到99. 99999%，有些影響多晶硅轉(zhuǎn)換效率的Fe、Ti、O等雜質(zhì)含量過(guò)高，也導(dǎo)致多晶硅太陽(yáng)能電池板的迅速衰減現(xiàn)象，影響太陽(yáng)能電池板的壽命。但其設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程少，投資少，能耗低，是一個(gè)比較好的多晶硅提純研究方向。應(yīng)用物理法提純硅需要應(yīng)用高能束流多晶硅提純裝置?，F(xiàn)有的高能束流多晶硅提純裝置，其包含電子束和離子束熔煉單元，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是在一個(gè)真空腔體內(nèi)同時(shí)安裝電子槍和離子槍，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在電子束熔煉后的高溫硅液流入離子束熔煉承接盤， 不需要經(jīng)過(guò)外部冷卻轉(zhuǎn)移，直接對(duì)經(jīng)過(guò)電子束熔煉的高溫硅液進(jìn)行離子束熔煉，這種連續(xù)高能束熔煉工藝加上電磁感應(yīng)熔煉和定向凝固工藝，能夠連續(xù)進(jìn)料出料，節(jié)約能耗，提高效率和設(shè)備產(chǎn)能。但是，這種將電子槍和離子槍置于同一真空腔體內(nèi)的冶煉方法不能有效發(fā)揮兩種高能束流冶煉的優(yōu)點(diǎn)，影響提純多晶硅的純度；根據(jù)研究電子束熔煉提純效果最好的真空氣壓是10_3-10_5Pa，而離子束熔煉提純效果最好的真空氣壓是10_2-105Pa，而且需要在離子束熔煉中吹入氧化氣體，可以提高去除多晶硅雜質(zhì)的效果。而現(xiàn)有的將電子槍和離子槍置于同一個(gè)真空腔體內(nèi)的多晶硅提純裝置，無(wú)法同時(shí)發(fā)揮電子束和離子束熔煉的最佳除雜優(yōu)勢(shì)，最大多晶硅提純度小于99. 9999% ;如果在離子束熔煉中加入吹氣氧化除雜工藝將會(huì)增加真空氣壓，影響電子束熔煉提純效果，因此這種工藝無(wú)法優(yōu)化工藝進(jìn)一步提高多晶硅純度，無(wú)法達(dá)到太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大于99. 9999%的純度要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的多晶硅提純裝置及提純方法，本發(fā)明將電磁感應(yīng)熔煉、離子束吹氣氧化冶煉、電子束真容熔煉和定向凝固四種工藝相結(jié)合，采用連續(xù)工藝順次對(duì)工業(yè)硅料進(jìn)行電磁感應(yīng)熔煉、離子束吹氣氧化冶煉、電子束真空熔煉、定向凝固后獲得純度達(dá)到99. 9999-99. 999999%的多晶硅，由于在離子束熔煉中加入吹氣氧化的化學(xué)法工藝，突破了物理法提純多晶硅的極限純度99. 9999%。本發(fā)明的多晶硅提純裝置包括電磁感應(yīng)熔煉單元(001)，以電磁感應(yīng)加溫熔融金屬硅料生成高溫硅液；等離子冶煉爐(200)，在真空環(huán)境下離子束吹氣氧化冶煉高溫硅液；恒溫石英導(dǎo)管(101)，將等離子冶煉爐(200)內(nèi)的高溫硅液恒溫導(dǎo)入電子束熔煉爐(305);電子束熔煉爐(305)，在真空環(huán)境下以高能電子束轟擊高溫硅液；定向凝固單元 (401)，使從電子束熔煉爐(305)流出的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯。優(yōu)選地，所述等離子冶煉爐(200)內(nèi)的真空氣壓為10_2_10Pa。優(yōu)選地，所述等離子冶煉爐(200)內(nèi)注入氬氣、水蒸汽、氫氣的混合氣體產(chǎn)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)去除雜質(zhì)。優(yōu)選地，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括外部包裹的電磁感應(yīng)線圈(102)，用于加熱導(dǎo)管內(nèi)的高溫硅液使其保持恒溫。優(yōu)選地，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括進(jìn)料閥門(105)以及流量控制盤(103)，用于控制高溫硅液的流入速度并隔離所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐(305)。優(yōu)選地，所述電子束熔煉爐(305)內(nèi)的真空氣壓為10_3_10_5Pa。優(yōu)選地，所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐(305)內(nèi)高溫硅液的溫度范圍為 1500-1700。。。優(yōu)選地，所述定向凝固單元(401)均勻拉坯的拉坯速度小于20mm/小時(shí)。本發(fā)明還提供了一種多晶硅提純方法，其特征在于，包括電磁感應(yīng)熔煉步驟，以電磁感應(yīng)加溫熔融金屬硅料生成高溫硅液；等離子冶煉步驟，在真空環(huán)境下以離子束加熱高溫硅液并吹氣氧化雜質(zhì)；電子束熔煉步驟，對(duì)等離子冶煉后的高溫硅液，在真空環(huán)境下以高能電子束轟擊使雜質(zhì)揮發(fā)為氣體；定向凝固步驟，使電子束熔煉后的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯；并且其中所述等離子冶煉步驟和電子束熔煉步驟在相鄰的兩個(gè)真空爐內(nèi)進(jìn)行，且二者中間通過(guò)恒溫導(dǎo)管對(duì)高溫硅液恒溫導(dǎo)流。本發(fā)明的原理是將離子束吹氣氧化冶煉和電子束真空熔煉安裝于相鄰的兩個(gè)真空爐內(nèi)，中間用電磁感應(yīng)恒溫石英導(dǎo)管連接傳輸高溫硅液。金屬硅料首先經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)加溫熔融，高溫硅液流入離子束吹氣氧化冶煉爐內(nèi)蒸發(fā)盤，吹入水汽、氫氣和氬氣的混合氣體，硅液在高能離子束的轟擊下，加速多晶硅B、C、SiO2等雜質(zhì)的氧化、還原化學(xué)反應(yīng)，去除多晶硅中的B、C、SiO2, Fe、Ti、Cu等雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)離子束吹氣氧化冶煉除雜的高溫硅液通過(guò)恒溫石英導(dǎo)管傳送到電子束真空熔煉爐進(jìn)行進(jìn)一步提純，去除多晶硅中P、A1、B0等相對(duì)硅來(lái)說(shuō)蒸氣壓高的雜質(zhì)，然后利用不同物質(zhì)分凝系數(shù)的差異，經(jīng)過(guò)真空定向凝固技術(shù)再進(jìn)一步去除娃料中的殘余雜質(zhì)。本發(fā)明的特點(diǎn)是將離子束吹氣氧化冶煉和電子束熔煉在各自獨(dú)立的真空環(huán)境進(jìn)行，提供各自最優(yōu)的除雜提純工藝。在離子束熔煉中吹氣加入化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，能夠提高除雜的效果，加快提純速度，可使雜質(zhì)硼(B)的含量減少到小于O. 2PPM。在電子束熔煉中，選擇最優(yōu)的真空環(huán)境和電子束流能量，可使雜質(zhì)磷⑵的含量減少到O. 1PPM。經(jīng)過(guò)離子束冶煉和電子束熔煉，都能明顯降低B、P以及其它雜質(zhì)含量，再經(jīng)過(guò)定向凝固技術(shù)除雜，最終可得到滿足太陽(yáng)能電池板應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的高純度多晶硅。本發(fā)明的有益效果是該裝置解利用不同真空環(huán)境下的熔煉技術(shù)工藝各自獨(dú)立優(yōu)化決了不能提高多晶硅純度的問(wèn)題，該裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝可控，從硅料輸入熔融到定向凝固工序，全程在真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)硅料流轉(zhuǎn)，減少中間污染環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了利用冶金法低能耗、快速高效生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅提純裝置的結(jié)構(gòu)示意圖其中，001是電磁感應(yīng)熔煉單元，101是恒溫石英導(dǎo)管，102是電磁感應(yīng)線圈，103是流量控制盤，104是接料口，105是進(jìn)料閥門，200是等離子冶煉爐，201是A觀察窗口，202是 A離子槍，203是A注氣口，204是B注氣口，205是B離子槍，206是A抽氣口，207是集料盤， 301是電子槍，302是B觀察窗口，303是B抽氣口，304是蒸發(fā)盤，305是電子束熔煉爐，401
是定向凝固單元。
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
并配合附圖詳予說(shuō)明。圖I是本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅提純裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖I所示，本發(fā)明是一種集成了電磁感應(yīng)熔煉單元001、等離子冶煉爐200、恒溫石英導(dǎo)管101、電子束熔煉爐305、 定向凝固單元401的多晶硅提純裝置。其具體結(jié)構(gòu)以及本發(fā)明的提純方法在下面詳細(xì)加以說(shuō)明I、電磁感應(yīng)熔煉電磁感應(yīng)熔煉單元001位于等離子冶煉爐200的頂部，其中有進(jìn)料控制電機(jī)、進(jìn)料容器、電磁感應(yīng)加熱器，通過(guò)進(jìn)料控制電機(jī)將金屬硅塊料倒入進(jìn)料容器，由電磁感應(yīng)加熱器進(jìn)行電磁加熱熔融，加熱保持溫度1500°C，形成高溫硅液體，電磁感應(yīng)熔煉單元底部安裝有控制閥門，控制高溫硅液流出速度，高溫硅液流入等離子冶煉爐200的集料盤207。2、離子束吹氣氧化的等離子冶煉等離子冶煉爐200內(nèi)左側(cè)有一個(gè)A抽氣口 206，用于爐內(nèi)抽真空，真空氣壓保持在 10_2-10Pa之間。在爐內(nèi)中間位置，安裝一個(gè)集料盤207，用于承接電磁感應(yīng)熔煉單元001流出的高溫硅液，硅液滿后從右側(cè)流出送入恒溫石英導(dǎo)管101。爐內(nèi)上方兩側(cè)斜面位置，安裝 A離子槍202、B離子槍205，功率45KW，對(duì)準(zhǔn)集料盤207，用于對(duì)集料盤207內(nèi)的硅液體進(jìn)行等離子加熱蒸發(fā)。爐內(nèi)上方兩側(cè)斜面位置，還安裝了 A注氣口 203、B注氣口 204，用于注入 IS氣、水蒸汽、氫氣等混合氣體。爐內(nèi)上方右側(cè)斜面位置，安裝一個(gè)A觀察窗口 302,用于觀測(cè)等離子冶煉爐200內(nèi)溫度和冶煉情況。在氣壓保持在10_2-10Pa真空環(huán)境內(nèi)，A離子槍202、B離子槍202205發(fā)出高能離子束，為蒸發(fā)盤207里的高溫硅液加熱，加熱溫度1500-1700°C之間，同時(shí)通過(guò)注氣口 204注入氬氣、水蒸汽、氫氣等混合氣體，B、C、O、P、Fe、Ti、Cu等雜質(zhì)與氫氣、水分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 生成氣化物質(zhì)，由抽氣口 206排除爐外。在集料盤207。在等離子冶煉爐200內(nèi)，經(jīng)過(guò)等離子吹氣氧化冶煉過(guò)程，B、C、O的去除率高，B含量< O. 2PPM，C的含量小于O. 1PPM，其它雜質(zhì)的含量總和< 2PPM，高溫硅液的硅純度> 99. 999%。3、恒溫導(dǎo)流恒溫石英導(dǎo)管101連接等離子冶煉爐200和電子束熔煉爐305，接料口 104承接等離子冶煉爐200內(nèi)部蒸發(fā)盤207滿溢的高溫硅液，流入恒溫石英導(dǎo)管101內(nèi)，恒溫石英導(dǎo)管101外部包裹電磁感應(yīng)線圈102，為導(dǎo)管內(nèi)高溫硅液加熱恒溫，保持恒定溫度1500°C，中部有一個(gè)進(jìn)料閥門105和右側(cè)出口有一個(gè)流量控制盤103共同控制高溫硅液流入，隔離等離子冶煉爐200和電子束熔煉爐305的兩個(gè)不同壓力的真空環(huán)境。經(jīng)過(guò)等離子吹氣氧化冶煉提純的高溫硅液在集料盤207滿溢流入接料口 104，通過(guò)恒溫石英導(dǎo)管101的進(jìn)料閥門105和流量控制盤103，流入電子束熔煉爐305的蒸發(fā)盤 304。4、真空電子束熔煉電子束熔煉爐305爐內(nèi)上方是電子槍301，功率30KW，電壓18KV，電子槍301對(duì)準(zhǔn)爐內(nèi)中部的蒸發(fā)盤304，用于蒸發(fā)盤304內(nèi)的高溫硅液熔煉。爐內(nèi)右側(cè)上角是B觀察窗口 302，觀測(cè)爐內(nèi)溫度和熔煉情況。爐內(nèi)右側(cè)上方有一個(gè)B抽氣口 303，用于抽真空，排出雜質(zhì)廢氣，保持爐內(nèi)真空氣壓10_3-10_5Pa。爐內(nèi)下部中間位置安裝定向凝固單元401，承接蒸發(fā)盤304滿溢的高溫硅液。電子槍301對(duì)準(zhǔn)蒸發(fā)盤304的高溫硅液進(jìn)行高能電子轟擊，在溫度1500-1700°C 真空氣壓10_310_5Pa的環(huán)境下，硅和雜質(zhì)的飽和蒸汽壓不同，特別是P、Ca、Al等雜質(zhì)比硅的飽和蒸汽壓大I萬(wàn)倍以上，雜質(zhì)高能電子轟擊下，絕大部分揮發(fā)成氣體，被真空抽氣設(shè)備抽出爐外。經(jīng)過(guò)電子束熔煉爐305的高能電子束熔煉的高溫硅液，P、Al、Ca的含量減少到
<O. 1PPM，蒸發(fā)盤304滿溢流出的高溫硅液純度已到達(dá)> 99. 9999%，其它剩余雜質(zhì)在下一步定向凝固步驟里去除。5、定向凝固定向凝固單元401由圓柱形坩堝、電磁感應(yīng)加熱線圈、冷卻水管、拉坯機(jī)構(gòu)等組成，經(jīng)過(guò)離子束吹氣氧化冶煉和電子束熔煉兩個(gè)步驟提純的高溫硅液滴入圓柱形坩堝內(nèi)， 坩堝外表上部安裝電磁感應(yīng)加熱線圈，加熱坩堝里的硅料，坩堝外表下部安裝冷卻水管，硅料在坩堝上、下兩部份形成溫度梯度，由拉坯機(jī)構(gòu)將硅料勻速向下抽出，硅料在拉坯抽出過(guò)程中，逐漸冷卻凝固。在高溫硅液中，雜質(zhì)的分凝系數(shù)很低，P、Fe、Cu、Ti等雜質(zhì)的小于O. 3，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，在圓柱體i甘禍均勻拉還過(guò)程中，每小時(shí)小于20_的向下拉還速度得到最好的定向凝固除雜效果，在本發(fā)明的定向凝固過(guò)程中，設(shè)定拉坯速度18mm/小時(shí)，電磁感應(yīng)熔煉單元001 的高溫硅液流入等離子冶煉爐200的速度、恒溫石英導(dǎo)管101控制的高溫硅液流量必須小于拉坯速度控制要求。雜質(zhì)富集在拉坯凝固的硅料外部表皮，切除外表雜質(zhì)，得到高純度多晶硅。檢測(cè)多個(gè)提純的樣品，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，定向凝固生產(chǎn)的多晶硅純度范圍99. 9999-99. 999999%，金屬元素總雜質(zhì)含量
<O. 1PPM, B 含量< O. 2PPM, P 含量< O. 1PPM, O 含量< 3 X IO17CM' C 含量< 2 X IO16CM' 符合太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求。綜上，本發(fā)明將離子束吹氣氧化冶煉和電子束熔煉在各自獨(dú)立的真空環(huán)境進(jìn)行， 提供各自最優(yōu)的除雜提純工藝；再經(jīng)過(guò)定向凝固技術(shù)除雜，最終可得到滿足太陽(yáng)能電池板應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的高純度多晶硅。本發(fā)明設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝可控，從硅料輸入熔融到定向凝固工序，全程在真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)硅料流轉(zhuǎn)，減少中間污染環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了利用冶金法低能耗、快速聞效生廣太陽(yáng)能級(jí)多晶娃。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅提純裝置，其特征在于，包括電磁感應(yīng)熔煉單元(001)，以電磁感應(yīng)加溫熔融金屬硅料生成高溫硅液；等離子冶煉爐(200)，在真空環(huán)境下離子束吹氣氧化冶煉高溫硅液；恒溫石英導(dǎo)管(101)，將等離子冶煉爐(200)內(nèi)的高溫硅液恒溫導(dǎo)入電子束熔煉爐(305);電子束熔煉爐(305)，在真空環(huán)境下以高能電子束轟擊高溫硅液；定向凝固單元 (401)，使從電子束熔煉爐(305)流出的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述等離子冶煉爐(200)內(nèi)的真空氣壓為l(T2-10Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述等離子冶煉爐(200)內(nèi)注入氬氣、水蒸汽、氫氣的混合氣體產(chǎn)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)去除雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括外部包裹的電磁感應(yīng)線圈(102)，用于加熱導(dǎo)管內(nèi)的高溫硅液使其保持恒溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括進(jìn)料閥門(105)以及流量控制盤(103)，用于控制高溫硅液的流入速度并隔離所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐(305)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述電子束熔煉爐(305)內(nèi)的真空氣壓為10-3-10_5Pa。
7.根據(jù)以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐(305)內(nèi)高溫硅液的溫度范圍為1500-1700°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述定向凝固單元(401)均勻拉還的拉還速度小于20mm/小時(shí)。
9.一種多晶硅提純方法，其特征在于，包括電磁感應(yīng)熔煉步驟，以電磁感應(yīng)加溫熔融金屬硅料生成高溫硅液；等離子冶煉步驟，在真空環(huán)境下以離子束加熱高溫硅液并吹氣氧化雜質(zhì)；電子束熔煉步驟，對(duì)等離子冶煉后的高溫硅液，在真空環(huán)境下以高能電子束轟擊使雜質(zhì)揮發(fā)為氣體；定向凝固步驟，使電子束熔煉后的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯；并且其中所述等離子冶煉步驟和電子束熔煉步驟在相鄰的兩個(gè)真空爐內(nèi)進(jìn)行，且二者中間通過(guò)恒溫導(dǎo)管對(duì)高溫硅液恒溫導(dǎo)流。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的多晶硅提純裝置和提純方法，所述裝置包括電磁感應(yīng)熔煉單元(001)、等離子冶煉爐(200)、恒溫石英導(dǎo)管(101)、電子束熔煉爐(305)以及定向凝固單元(401)。所述多晶硅提純方法包括電磁感應(yīng)熔煉步驟、等離子冶煉步驟、電子束熔煉步驟以及定向凝固步驟，使電子束熔煉后的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯。本發(fā)明將離子束吹氣氧化和電子束熔煉在各自獨(dú)立的真空環(huán)境進(jìn)行，提供最優(yōu)除雜提純工藝。設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝可控，減少中間污染環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了低能耗、快速高效生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。
文檔編號(hào)C30B28/06GK102602933SQ201110022399
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者明瑞法, 楊建云, 楊強(qiáng), 楊旸, 肖實(shí)生 申請(qǐng)人:江西開昂新能源科技有限公司